基于連接形式的超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

楊嘉琪，雷 浩（中建東孚投資發(fā)展有限公司，上海 200122）

近年來，高層建筑以其高效的土地利用率以及新穎的外觀得到了廣泛的應(yīng)用。與此同時，為了控制地震作用下高層建筑的側(cè)移，帶加強層的框架-核心筒結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，并已廣泛應(yīng)用于實際工程中。但加強層的設(shè)置使結(jié)構(gòu)沿高度產(chǎn)生剛度突變，在實際工程設(shè)計中，加強層與外圍框架柱的連接方式對結(jié)構(gòu)體系的受力和變形性能的影響成為亟待解決的問題。

本文將結(jié)合東莞國際貿(mào)易中心的工程實際，對框架-核心筒結(jié)構(gòu)中伸臂在地震作用下的連接形式進行技術(shù)性、經(jīng)濟性比較，分析和探討各連接形式的優(yōu)缺點。

1 工程概況

本工程位于廣東省東莞市，為東莞國貿(mào)中心，塔樓部分地上 88 層，地下4層，地面以上結(jié)構(gòu)總高度 387m，平面尺寸 50m×50m，高寬比約 7.9。建筑功能主要為辦公，頂部觀光裝飾部分周邊有幕墻結(jié)構(gòu)包裹。大樓預(yù)計使用人數(shù)超過 8000 人，按設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)，本工程屬于重點設(shè)防類建筑。該工程采用雙重抗側(cè)體系抵抗水平荷載，它們分別由鋼筋混凝土核心筒（上部是鋼筋混凝土核心筒，下部是型鋼混凝土核心筒）和型鋼混凝土柱，以及伸臂桁架及腰桁架組成。本工程處于6度抗震設(shè)防烈度區(qū)，同時按7度采取抗震構(gòu)造措施。

核心筒采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土： C 60 高強混凝土可在達(dá)到同樣強度的同時，減少結(jié)構(gòu)占用面積，內(nèi)墻通高壁厚 400 mm 。該工程采用橫向人字形伸臂，橫向人字形伸臂桁架設(shè)于 33～34 層、63 ～ 64 層，每道8榀伸臂穿過兩個樓層，布置在平面角部，高度均為 9.47m，環(huán)帶桁架設(shè)于 33 ～ 34層、63 ～ 64 層。

2 模型方案及對比分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)模型，通過設(shè)置伸臂與外框柱不同的連接形式和不同的伸臂截面類型，對其進行6度反應(yīng)譜地震作用下的多個模型方案計算分析，得出各模型反應(yīng)以探討結(jié)構(gòu)性能。具體模型方案見表1。

表1 模型方案

2.1 伸臂的連接形式及布置對結(jié)構(gòu)自振特性的影響

伸臂與外框柱的不同連接形式對結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)剛度有直接影響，剛接的抗側(cè)剛度最強，半剛接其次，鉸接的抗側(cè)剛度最弱，這也體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)自振周期的變化上。

由表2 中(T1、T2、T3分別指第 1、第 2、第3階振型下結(jié)構(gòu)整體的自振周期)所列數(shù)據(jù)可以看出，在伸臂與外框柱連接剛度逐漸增大的條件下，水平伸臂方案(方案 1～方案3)自振周期減小的程度明顯大于橫向人字形伸臂方案(方案4～方案 6)，也就是說水平伸臂方案對自振周期的影響相對更為敏感。此外，橫向人字形伸臂方案的周期明顯低于水平伸臂方案，這說明橫向人字形伸臂方案比水平伸臂方案對結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)更大。

表2 結(jié)構(gòu)振型信息

2.2 伸臂的截面及與外框柱的連接對單片抗側(cè)力構(gòu)件彎矩的影響

在框架-核心筒結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)設(shè)置伸臂和環(huán)帶以后，結(jié)構(gòu)的傳力途徑在伸臂和環(huán)帶處發(fā)生變化，框架與核心筒間的彎矩分配得以改變。由于伸臂布置在核心筒的四個角處，因此，這里取與伸臂一端相連的1根框架柱 E1柱為例（即 E軸與1軸相交的柱）進行分析。剪力墻也取與該伸臂另一端相連的 W 65（圖1、圖2）行分析， X 向多遇地震作用下 E1柱和 W 65 的彎矩見圖1～圖3。

圖1 水平伸臂方案柱墻彎矩

圖2 橫向人字形伸臂方案柱墻彎矩

圖3 兩種伸臂方案剛接時柱墻彎矩

伸臂和環(huán)帶的設(shè)置引起單片抗側(cè)力構(gòu)件的彎矩值在加強層及其附近樓層發(fā)生鋸齒形突變。水平伸臂的突變數(shù)量大于橫向人字形伸臂，這主要是因為水平伸臂設(shè)置在 32、34 層以及 62、64 層，這就使剛度的突變更加分散；而橫向人字形伸臂的剛度則集中在 33 層和 64 層，這就使剛度突變的樓層更加集中。兩種伸臂方案中，改變伸臂與外框柱的連接形式時，單片抗側(cè)力構(gòu)件中框架柱彎矩的突變均要大于剪力墻彎矩的突變，這說明單片抗側(cè)力構(gòu)件中框架柱彎矩的突變對伸臂與外框柱的連接形式更加敏感。水平伸臂方案和橫向人字形伸臂方案對 E1柱的彎矩突變程度影響相當(dāng)。但對于與伸臂直接相連的單片剪力墻，橫向人字形伸臂方案引起的彎矩突變明顯大于水平伸臂方案。這表明，在單片抗側(cè)力構(gòu)件中，側(cè)向剛度越大的伸臂方案會給單片剪力墻帶來更大的彎矩突變，這部分的剪力墻構(gòu)件在抗震設(shè)計時也更應(yīng)該被重視。

3 結(jié) 語

本文以實際工程為依托，對框架-核心筒結(jié)構(gòu)中伸臂與外框柱的連接形式進行了深入分析，得出以下幾點結(jié)論。

(1) 關(guān)于伸臂的截面及與外框柱的連接對結(jié)構(gòu)整體性能的影響：不論是水平伸臂還是橫向人字形伸臂，隨著伸臂與外框柱之間的連接剛度增大，結(jié)構(gòu)的自振周期都有不同程度的減弱。在連接剛度逐漸增大的情況下，水平伸臂方案自振周期減小的程度明顯大于橫向人字形伸臂方案。

(2) 伸臂的截面及與外框柱的連接對地震作用下單片抗側(cè)力構(gòu)件彎矩的影響：無論是水平伸臂方案還是橫向人字形伸臂方案，伸臂與外框柱的連接形式總體來說對單片抗側(cè)力構(gòu)件的彎矩值影響較小。伸臂與外框柱的連接形式對水平伸臂方案單片抗側(cè)力構(gòu)件的影響大于橫向人字形伸臂方案。兩種伸臂方案布置中，改變伸臂與外框柱的連接形式時，單片抗側(cè)力構(gòu)件中框架柱彎矩的突變均要大于剪力墻彎矩的突變。在單片抗側(cè)力構(gòu)件中，側(cè)向剛度越大的伸臂方案會給單片剪力墻帶來更大的彎矩突變，這部分的剪力墻構(gòu)件在抗震設(shè)計時也更應(yīng)該被重視。